磨蚀水轮机泥沙磨蚀危害

我国河流众多且水力资源非常丰富，居世界前列。但其中大多数河流泥沙含量相当高，特别是黄河以多泥沙而闻名于世，其含沙量为全世界最多，年平均输沙量达16亿t，年均含沙量34kg/m³。长江的水流含沙量虽然不高，但是因水量充沛，输沙量大，年均输沙量达5.01亿t。水中所含固体颗粒大小以及硬度的不同还有过流部件的形状的原因，使得水轮机发生磨蚀现象，特别在含沙量大的河流，水轮机过流部件磨蚀情况特别严峻。

造成水轮机过流部件表面上出现破坏是水轮机泥沙磨损的外在后果。同时也引起一系列间接后果，使水电站技术经济效益大为降低。

（1）水轮机效率下降。混流式水轮机上下部迷宫环间隙和轴流式及斜流式水轮机叶片与转轮室之间的间隙，由于沙粒磨损的原因，渐渐变大，而引起水轮机的容积效率下降。

（2）水电站检修频率增大，检修工作量增加。修建在含泥沙量大的河流上的水轮机，它沙粒磨损状况是决定检修频率以及检修量的最重要的依据。河流的洪峰的沙峰几乎都是出现在汛期。因此，河流各梯级电站的水轮机在汛期都承受严重的沙粒磨损，汛期后都需要及时检修。

（3）降低水电站运行质量。水轮机过流部件被泥沙冲击后而造成外表不光滑，加快了水流的局部扰动和空化的进展；转轮的磨损导致不对称，尤其是其中有的叶片的出口边由于磨蚀破坏出现折断时，将会导致水力的和机械的不平衡 。

磨蚀是指风力、流水、波浪和冰川等所携碎屑物对基岩进行的机械磨损。亦即侵蚀或刻蚀辅之以对岩石的擦划（scratching）和冲蚀（scouring）。象用砂纸将岩石打磨过一样，给留下平滑、光溜的表面。磨损也表示碎屑物自身在搬运过程中的磨损，并因而变得越来越小。

磨蚀的第二种定义如下：

材料在腐蚀和磨耗的综合作用下所产生的破坏现象，也称磨耗腐蚀（erosioncorrosion）。磨耗是流体运动等机械作用的结果，流动的液体或气体不断冲恻材料表面，不仅直接磨耗材料，而且破坏材料表面的保护膜，使新鲜的材料表面不断与腐蚀性流体接触，而加速了腐蚀作用。当流体中含有固体粒子时磨蚀更为严重。在水力发电机的翼轮、船舶的推进器、水管弯曲处最为常见 。

（1）水轮机过流部件表面防护技术。对于表面的保护普遍使用的金属材料有碳化钨、金属陶瓷、抗磨焊条、高强度不锈钢等，经常用铺焊、堆焊、喷焊等办法包裹于过流部件上；非金属材料有环氧金刚砂、复合树脂、聚氨酯橡胶、复合尼龙和其他高分子材料，经常使用浇注、涂抹等方式包裹于过流部件上。

（2）减少过机泥沙。在泥沙量大河流上，采用多种方法来降低通过水轮机水流中泥沙含量是减弱水轮机泥沙磨蚀的主要手段。最初在黄河上建设的水电站就是因为在设计时没有酌量排沙措施，导致大量泥沙淤积在大坝上游，汛期时水流中含有大量泥沙，致使水轮机磨蚀非常严重，盐锅峡、改造前的三门峡皆有这种教训。

所以，建设排沙洞，沉沙池等用于降低过机泥沙的措施在随后含沙量高河流上建设的水电站设计中受到普遍注意。另外，经过水沙优化调度，利用洪水把泥沙排走，最重要的是由于将大颗粒泥沙冲走，避免机组在汛期时水流中含沙量大的时候工作，俱可极大地减弱泥沙磨蚀的程度，再把表面保护措施结合使用，乃至能在汛期内能实现浑水发电。

（3）合理地选择水轮机的设计。水轮机设计参数选取时该酌情减小参数水平，应留心掌握减少转轮出口的相对水流，使转轮到达最佳比转速。并且对转轮叶片进行优化设计，并且注意增加导叶分布圆的直径，使用合适的导叶翼型等措施。

（4）提高水轮机制造水平。转轮叶片母材应选用抗磨性能优良的原料，让过流部件的抗磨蚀性能有极大增强。

水力机械应用的环境不是固定不变的，这个科研难题一直困扰着人们，其机理的探索一直让科研人员热情高涨。为了弄清水力机械材料磨蚀特性和预防材料磨蚀，科研人员前前后后进行了许多磨蚀实验研究和数值模拟研究，主要包括：

（1）空蚀机理研究

空蚀是由于在机体内部压强降低时，压强小于流动介质的饱和蒸汽压时，流动介质会汽化生成空泡，空泡跟随流动在设备结构固定表面溃灭所造成表面破坏。研究空蚀破坏有几个突破点，分别是机体内部的压强变化，气泡的形成，还有气泡溃灭所发生的反应。

（2）冲蚀磨损研究

当前涉及流体处理的机械和设备的经济有效运行越来越依赖利用高耐腐蚀性和良好耐磨性的材料，而冲蚀磨损是造成材料表面破坏的最直观的因素，在很多工业部门都或多或少的存在冲蚀磨损，特别是在水力机械设备实际运行工况中，冲蚀磨损一般涉及到多相流，在多相流问题中，冲蚀磨损很复杂，人们在不断的探索中。

（3）空蚀与冲蚀联合破坏磨损研究

在水力机械实际运行工况中，环境因素复杂，水力机械过流部件不会单纯的受到空蚀磨损或冲蚀磨损，而是空蚀与冲蚀联合作用磨损相当突出，将空蚀和冲蚀联合破坏简称为磨蚀。磨蚀要比以上单纯的一种磨损破坏更快，更严重。研究人员也越来越关注这种现象，为预防磨蚀做了很多研究，种种研究方法和成果被运用到了实际生产当中，降低了生产损失，为水力机械可靠长远运行提供了技术支持 。

（1）聚氨酯复合树脂砂浆技术

聚氨酯复合树脂砂浆由高抗磨蚀聚氨酯弹性体材料、弹性环氧树脂、固化剂、硬金属粉、棕刚玉、耐水剂等组成，该涂层综合性能优。涂层厚度一般为2~6mm，设计寿命10年以上。通过采用聚氨酯复合树脂砂浆技术对水轮机过流部件进行磨蚀防护，不仅其抗磨性能显著提高，而且还克服了环氧金刚砂涂层在水机应用中抗汽蚀性能差的缺点，该技术适用于水轮机蜗壳、座环、导叶、转轮叶片正面等部位的磨蚀防护 。

该技术已在三门峡、青铜峡、葛洲坝、刘家峡、碧口、新疆乌鲁瓦提、玛纳斯、万家寨等水电站进行了应用，取得了较好的磨蚀防护效果。

（2）改性聚氨酯涂层技术

1）注聚氨酯弹性体涂层。聚氨酯被公认为抗汽蚀性能最好的材料，涂层抗汽蚀性能是不锈钢的十倍以上。该涂层浇注成型，通过强力粘接剂和机械连接方式，与防护面结合力大大增强（附着力达到40MPa），不易发生剥离和撕裂现象，涂层厚度一般2~5mm，设计寿命10年以上。该技术适用于水机磨蚀破坏的强汽蚀区，如水轮机和水泵转轮叶片背面、水轮机转轮活动止漏环等部位。

该技术已在万家寨水电站、固海扬黄泵站进行了应用。

2）高弹性聚氨酯漆

水工闸门、水轮机导叶、蜗壳长期遭受高速含沙水流冲蚀，易发生磨蚀破坏。采用高弹性聚氨酯漆进行防护，工艺简单，质量可控，磨蚀防护效果较好。

高弹性聚氨酯漆通过喷涂成型，主要基料为高抗磨蚀聚氨酯，分底漆和面漆，底漆为防锈涂料，面漆为不锈钢鳞片阻水材料。与普通防腐油漆相比，该耐磨漆具有高抗磨性和高防腐性双重功能，涂层漆膜附着力一级以上，高弹性，抗冲击能力强；漆膜耐磨蚀能力强，抗汽蚀能力是普通重防腐漆的20倍以上；抗老化能力强，水中浸泡20年，其性能下降不超过10%。该技术适用于水工闸门、水轮机蜗壳、导叶等部位的磨蚀防护。

该技术已在小浪底水电站、乌鲁瓦提水电站进行了应用。

（3）钢塑复合聚氨酯产品

1）钢塑复合聚氨酯导叶密封板。钢塑复合聚氨酯导叶密封板为矩形板状结构，中间凸起，导叶小头的刚性密封面与大头的弹性密封面刚柔结合，具有一定的互补作用，可有效抑制漏水。既解决了密封装置的磨损问题，又使导叶密封性大大提高，改善了正常停机时因导叶漏水而导致的机组“潜动”现象，大大提高了机组的发电效率。

该产品已在碧口、青铜峡、万家寨等水电站推广应用。

2）钢塑复合聚氨酯抗磨板。引进美国四氢呋喃聚醚原料，加以改性使其耐水性和耐候性大大增强，采用钢塑复合技术加工成钢塑复合聚氨酯抗磨板。其具有长期使用不变形、抗磨蚀效果良好的优点，与导叶密封板配合使用，机组止水密封效果优异。抗磨尺寸根据机组尺寸进行专业订制，设计寿命20年以上。

该产品已在刘家峡、青铜峡等水电站进行应用。2100433B

岩石的磨蚀作用，包含有两种不同的机理，一种是类似于锉刀锉金属的作用，称之擦蚀，其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，而后者表面又必须是粗糙的，它在前者的表面上翘削下碎屑末。另一种作用是类似于砚台受墨的研磨，久而久之也要被磨蚀，称之磨损。对于钢制工具而言，除了含有石英颗粒的岩石以外，岩石的磨蚀作用主要是以磨损的形式进行的。对于硬质合金制的工具而言，更是以磨损为主了。不过实际上擦蚀和磨损种机理是难以截然区别开的，经常伴随出现，所以我们在中文上用术语“磨蚀性”统称之。

磨蚀过程是一个综合的作用，至少包括下列五种作用；

1. 由于接触面并非绝对平整，真实的接触面只有外观面积的百分之一到万分之一。局部的真实接触压力很大，当它超过了弹性限度时便被压堆而磨损；

2. 由于两物体紧密接触，若其相互间的分子间的引力胜过自身分子间的引力，那么两物体相对移动时，便把表面的分子层“粘”了下来。尤其当物体在结构上存在缺陷时，这种作用更易发生；

3. 由于物体表面参差不齐，产生机械的啮合作用，相对移动时，便产生磨损。表面虽平整，但软硬不均，也将会产生啮合而磨损的作用；

4. 啮合作用不大，相对位移时虽然不足以使其磨损，但在反复微小的撞击作用之下，表面便因疲劳而损坏；

5. 由于局部凸起接触，摩擦时产生大量热能，使温度升高到塑性变形乃至熔化。

一般说来，上述作用3在工具磨蚀时是主要的作用，尤其是在擦蚀作用下更为重要，其他1、2、4三种作用在磨损作用下有着更多的意义。作用5，对于硬质合金工具的磨蚀作用有重要意义。

从史莱涅尔和巴隆对一系列岩石磨蚀性测定的结果，可得出下述岩石结构组成对钢质材料磨蚀性的一般关系。

• 岩石具有硬的矿物组成时，磨蚀性增大。

• 对于岩浆岩和矿物而言，磨蚀系数ω大体上与其组成的矿物微痕硬度成正比例。

• 由软硬不同的几种矿物组成的岩石，其磨蚀性比单一矿物组成的岩石为大。

• 结晶体的矿物比其非晶态的磨蚀性为大。

• 沉积岩的磨蚀性系数几乎和它的石英含量成正比例。按照史氏观点，对于砂岩来说，岩石的磨蚀性和其侵入硬度成反比。岩石的侵入硬度反映了岩石的坚固性，而不是岩石的颗粒硬度。但据另外一些研究者的意见，含石英量相等的岩石，坚固的磨蚀性要大。而含石英多的砂岩，坚固性可能小于含石英多的。

无论是砂岩或岩浆岩，颗粒越细磨蚀性越弱。这是因为细粒构造的岩石表面较平整，接触点的真实应力较小。同时，物体的赫芝硬度随着压头的曲率半径减小将直线地增大。因此其磨蚀性也就削弱了。

砂岩的颗粒大小及其胶结物的强度对其磨蚀性影响很大，对于钢制工具来说，岩石颗粒由石英或长石组成，对磨蚀性的影响退居第二位。常常是花岗砂岩或长石砂岩，只要其粒度及侵入硬度跟石英砂岩相当，其磨蚀性也就差不多。但是对硬质合金的磨蚀，石英颗粒和长石颗粒大概是会不一样的。

岩石的磨蚀性，在很大程度上还取决于摩擦面的粗糙程度。如在正长石、石英和黄玉的晶面（或解理面）上摩擦，巴氏磨蚀性指标a值各为27.3、21.3和19.0，即反比例于硬度；而在其自然断口上摩擦，相当的a值却各为31.1、35.4和46.2，即说明只有在粗糙面上的磨蚀性才和硬度成正比。据此，巴氏采取了自然断口作为测定其磨蚀性的标准条件。

从以上介绍可知，对于沉积岩，影响其磨蚀性的因素莫过于石英的含量、颗粒大小以及岩石的坚固性了。 2100433B

当固体燃料在试验滚筒中旋转时，测试出的固体燃料的粒度减小及磨蚀程度。